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Climate-linked temporal and spatial patterns in the evolution of African bovidae

Tim Frederic Schikora — Tue, 21 May 2013 10:41:32 +0200

Climate and subsequent environmental changes are regarded as one driver of species evolution. Against this background the present study investigates the evolutionary history of the mammalian family Bovidae (Cetartiodactyla, Mammalia), today the most species-rich family of large herbivores on the African continent. Temporal and spatial patterns in that group’s evolution are the focus of the present study and were investigated using methods and data deriving from multiple disciplines (palaeontology, genetics, climatology, conservation biology). The results serve as a validation of macroevolutionary hypotheses of species evolution. A major proportion of African mammalian fossils can be assigned to that family. Due to their morphological adaptations, bovid species are highly indicative of their habitats. Hence, bovids are of great importance for paleontology. However, a strong taphonomic bias is present in the fossil record of bovids, favoring large and arid- adapted species. Molecular phylogenies of extant species and species distribution modelling combined with climate reconstructions can help to overcome these limitations. A molecular phylogeny, based on the cytochrome b gene of 136 bovid species served as basis for analysis of temporal patterns. Divergence events were dated using the relaxed molecular clock approach. The tree was time calibrated at 30 nodes using information inferred from the fossil record. Lineage-Through-Time plots and the respective statistical analyses reveal detailed temporal patterns in the evolutionary history of tribes and groups combining arid- and humid-adapted tribes. The resulting pattern shows three distinct phases. Phase 1 (P1) is dominated by speciation events within the humid group, while the second phase (P2) is marked by a dominance of speciation within the arid group. The switch in diversification rates (BDS) from P1 to P2 is dated to 2.8 million years ago. The third phase (P3) shows low diversification rates for all groups, starting around 1.4 million year ago and culminates in a significantly reduced diversification rate for the complete family at 0.8 million years ago. Both transitions are contemporaneous with global climate changes and turnover events in fossil faunal communities. To investigate the impact of climate changes onto the habitat availability within the last 3 million years and its putative influence on diversification rates, the species distribution modeling method was applied. For 85 African species and subspecies the climate niches were established and grouped into 5 climate-groups based on their climate preferences. For each group the available habitat for the period before and after the BDS was calculated on continental scale using reconstructed climate scenarios. To evaluate the modeled habitat distributions, regional analyses were performed in test areas surrounding well studied fossil sites (Laetoli, Olduvai, Chiwondo Beds, Lothagam, Koobi Fora, West Turkana, Swartkrans, Sterkfontain und Toros-Menalla). Habitat profiles (HP) permitted the comparison of the model based habitat reconstruction with the interpretations of classic paleontological reconstruction. The validity of the habitat modeling has been shown in particular for East African test areas. The reconstructions for the northern and southern fossil sites does not support the modeled habitats in these areas. Yet, the method of habitat- profiling may serve as suitable tool for environmental reconstruction of areas lacking sufficient paleontological material. A comparison of habitat availability before and after the BDS on continental scale identified a significant loss of habitat for humid adapted groups (7-22%) and habitat gain for arid adapted groups (19-173%). The climatically intermediate group experiences a tremendous gain of habitat (3366%). The greatest environmental change was modeled for East Africa, initiated by a progressive regional aridification. In addition to the distribution modeling for past climate conditions, the geographical distribution was modeled for the future, i.e. for climate scenarios representing the years 2050 and 2080 under a putative climate change scenario (global surface warming). It was shown that in particular the arid groups have to expect a remarkable loss of habitat (41-76%), while a gain of available habitat can be expected for the humid adapted groups (114-577%). The climatically intermediate group suffers the strongest habitat loss (85%). Regions with locally stable climate conditions were detected and may serve as potential refugia and are already today known as Africa’s hot spots of biodiversity. The results show a positive correlation of high diversification rates and increasing habitat availability. None of the tested speciation hypotheses taken alone explains the observations (e.g., Turnover-pulse Hypothesis, Relay Model). A major element in these hypotheses is the passive fragmentation of populations induced by unfavorable climate changes. In contrast, the Periodic Model (Grubb 1999) considers natural, periodically recurring climate changes and moreover, the active dispersal of individuals and resulting founder events. I added the effect of a superimposed directed climate trend – like the progressive aridification since the late Pliocene in Africa – which leads to a bias in the proportion and probability towards leading edge effects. This Directed Periodic Model explains the patterns found in the evolution of Bovidae. The combination of a molecular phylogeny and species distribution modeling, together with information inferred from the fossil record, reveals remarkable temporal and spatial patterns in the evolution of bovids, and helps overcome the limitations of the fossil record. The present study highlights the importance of active dispersal and founder populations in speciation processes. A point widely unattended in speciation hypotheses. The fully dated molecular phylogeny is the most densely sampled tree for the family Bovidae to date and may serve as a framework for a connection of present and future population studies, permitting the connection of medium-scale with long- term effects induced by climate and environmental changes.

Resonant pickups for non-destructive single-particle detection in heavy-ion storage rings and first experimental results

Mohammad Shahab Sanjari — Tue, 21 May 2013 09:51:40 +0200

Soziale Interaktion auf Finanzmärkten

Frederik König — Tue, 21 May 2013 09:22:43 +0200

Ziel meiner Dissertation ist die empirische Analyse von Auswirkungen der sozialen Interaktion zwischen Akteuren auf Finanzmärkten. In meinem ersten Aufsatz stelle ich ein Marktpreismodell vor, welches dem Einfluss durch soziale Interaktion Rechnung trägt. Mit Hilfe dieses Modells gehe ich der Fragestellung nach, ob soziale Interaktion zwischen Marktteilnehmern eine stabilisierende oder eine destabilisierende Wirkung auf Finanzmärkte hat. Mit meinem zweiten Aufsatz untersuche ich das Verhalten von Aktienanalysten, die als wesentlicher Impulsgeber für Finanzmärkte gelten. Konkret stelle ich heraus, ob Analysten stärker von anderen Analysten beeinflusst werden, wenn diese im gleichen Land bzw. in der gleichen Stadt arbeiten oder wenn sogar ein regelmäßiger Meinungsaustausch erfolgt. Beides setzte ich ins Verhältnis zum vorherrschenden Marktumfeld. In meinem dritten Aufsatz beschäftige ich mich mit der sozialen Interaktion zwischen Fondsmanagern. Diese verwalten in etwa ein Drittel des frei handelbaren Aktienvermögens und haben folglich einen nennenswerten Einfluss auf Finanzmärkte. Mit Hilfe einer neuartigen Schätzmethode bestimme ich die Größe des sozialen Einflusses und untersuche auch hier temporale Variationen im Verhältnis zum zu Grunde liegenden Marktumfeld. Des Weiteren zerlege ich die Gesamtgröße des sozialen Einflusses in zwei Komponenten, die zum einen den Einfluss im Rahmen der reinen Beobachtung und zum anderen den Einfluss durch Kommunikation reflektieren.

On the geometry, topology and approximation of amoebas

Timo de Wolff — Fri, 17 May 2013 12:31:07 +0200

We investigate multivariate Laurent polynomials f \in \C[\mathbf{z}^{\pm 1}] = \C[z_1^{\pm 1},\ldots,z_n^{\pm 1}] with varieties \mathcal{V}(f) restricted to the algebraic torus (\C^*)^n = (\C \setminus \{0\})^n. For such Laurent polynomials f one defines the amoeba \mathcal{A}(f) of f as the image of the variety \mathcal{V}(f) under the \Log-map \Log : (\C^*)^n \to \R^n, (z_1,\ldots,z_n) \mapsto (\log|z_1|, \ldots, \log|z_n|). I.e., the amoeba \mathcal{A}(f) is the projection of the variety \mathcal{V}(f) on its (componentwise logarithmized) absolute values. Amoebas were first defined in 1994 by Gelfand, Kapranov and Zelevinksy. Amoeba theory has been strongly developed since the beginning of the new century. It is related to various mathematical subjects, e.g., complex analysis or real algebraic curves. In particular, amoeba theory can be understood as a natural connection between algebraic and tropical geometry. In this thesis we investigate the geometry, topology and methods for the approximation of amoebas. Let \C^A denote the space of all Laurent polynomials with a given, finite support set A \subset \Z^n and coefficients in \C^*. It is well known that, in general, the existence of specific complement components of the amoebas \mathcal{A}(f) for f \in \C^A depends on the choice of coefficients of f. One prominent key problem is to provide bounds on the coefficients in order to guarantee the existence of certain complement components. A second key problem is the question whether the set U_\alpha^A \subseteq \C^A of all polynomials whose amoeba has a complement component of order \alpha \in \conv(A) \cap \Z^n is always connected. We prove such (upper and lower) bounds for multivariate Laurent polynomials supported on a circuit. If the support set A \subset \Z^n satisfies some additional barycentric condition, we can even give an exact description of the particular sets U_\alpha^A and, especially, prove that they are path-connected. For the univariate case of polynomials supported on a circuit, i.e., trinomials f = z^{s+t} + p z^t + q (with p,q \in \C^*), we show that a couple of classical questions from the late 19th / early 20th century regarding the connection between the coefficients and the roots of trinomials can be traced back to questions in amoeba theory. This yields nice geometrical and topological counterparts for classical algebraic results. We show for example that a trinomial has a root of a certain, given modulus if and only if the coefficient p is located on a particular hypotrochoid curve. Furthermore, there exist two roots with the same modulus if and only if the coefficient p is located on a particular 1-fan. This local description of the configuration space \C^A yields in particular that all sets U_\alpha^A for \alpha \in \{0,1,\ldots,s+t\} \setminus \{t\} are connected but not simply connected. We show that for a given lattice polytope P the set of all configuration spaces \C^A of amoebas with \conv(A) = P is a boolean lattice with respect to some order relation \sqsubseteq induced by the set theoretic order relation \subseteq. This boolean lattice turns out to have some nice structural properties and gives in particular an independent motivation for Passare's and Rullgard's conjecture about solidness of amoebas of maximally sparse polynomials. We prove this conjecture for special instances of support sets. A further key problem in the theory of amoebas is the description of their boundaries. Obviously, every boundary point \mathbf{w} \in \partial \mathcal{A}(f) is the image of a critical point under the \Log-map (where \mathcal{V}(f) is supposed to be non-singular here). Mikhalkin showed that this is equivalent to the fact that there exists a point in the intersection of the variety \mathcal{V}(f) and the fiber \F_{\mathbf{w}} of \mathbf{w} (w.r.t. the \Log-map), which has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map. We strengthen this result by showing that a point \mathbf{w} may only be contained in the boundary of \mathcal{A}(f), if every point in the intersection of \mathcal{V}(f) and \F_{\mathbf{w}} has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map. With respect to the approximation of amoebas one is in particular interested in deciding membership, i.e., whether a given point \mathbf{w} \in \R^n is contained in a given amoeba \mathcal{A}(f). We show that this problem can be traced back to a semidefinite optimization problem (SDP), basically via usage of the Real Nullstellensatz. This SDP can be implemented and solved with standard software (we use SOSTools and SeDuMi here). As main theoretic result we show that, from the complexity point of view, our approach is at least as good as Purbhoo's approximation process (which is state of the art).

Generation and analysis of mouse lines with a defect in platelet secretion and application in mouse models of atherosclerosis and tumor metastasis

Dagmar Schumacher — Fri, 17 May 2013 11:53:25 +0200

Introduction: The involvement of platelets in various diseases has been increasingly recognized in the recent decades. This contribution is believed to involve platelet secretion and formation of reactive microparticles. Platelets contain two functionally important forms of vesicles, alpha and dense granules, which are secreted upon activation of platelets. Alpha granules incorporate larger molecules such as adhesive proteins, e.g. P-selectin, vWF and fibrinogen; chemokines like PF4 and RANTES and growth hormones like VEGF and PDGF are among the most important proteins attributed to the involvement of platelets in pathological conditions. In contrast, dense granules contain small molecules like ADP, ATP, serotonin and histamine, and they are more rapidly and completely secreted than alpha granules. Like in all secreting cells, regulated exocytosis in platelets is mediated by “zippering” of three different classes of SNARE proteins. The subtypes of these proteins found to be involved in platelet secretion are SNAP-23, syntaxin-2 and -4 and VAMP-3 and -8. Apart from SNARE proteins, other conserved proteins influencing exocytosis by e.g. acting on SNARE proteins have been described, one of the most important ones being Munc13. Platelets contribute to the progression of atherosclerosis by local deposition of inflammatory mediators like PF4, RANTES and CD40L, which leads to enhanced leukocyte recruitment and plaque formation. In 1865, Armand Trousseau first described the correlation between cancer and thrombotic events. Since the 1960s, an increasing number of studies have found an involvement of platelets also in the progression of cancer, especially in the formation of metastases. Platelets bind to circulating tumor cells and may shield them from NK cell attacks and shear stress. Platelets may also facilitate the interaction of tumor cells with other cell types and the vessel wall. Lastly, they may secrete molecules that influence the tumor cell phenotype and invasiveness. Aims of this study: We sought to generate and describe genetically modified mouse lines with defective platelet secretion and to employ these mouse lines in murine models of atherosclerosis and tumor progression to study the role of platelet secretion under pathological in vivo conditions. Results: Clostridial toxins cleave members of the SNARE protein family and can thus completely block exocytosis of neuronal and other cells. We generated three transgenic mouse lines expressing tetanus, botulinum-E or -C light chains and two transgenic mouse lines with dominant-negative mutations of SNAP-23 under the control of the platelet-specific PF4 promotor. None of these constructs was able to interfere with platelet secretion despite expression of the transgene. A functional null mutant of the only Munc13 isoform expressed in platelets, Munc13-4, showed complete lack of dense granule secretion, measured by ATP release, while alpha granule release as determined by PF4 and vWF secretion, was unaltered. Morphology, composition and adhesion of these platelets were also normal. Aggregation in response to U46619 and collagen and formation of large aggregates in flow chamber assays was attenuated. Munc13-4-deficient mice showed a severe defect in bleeding time and no formation of stable aggregates in FeCl3 thrombosis model. In response to B16 melanoma and LLC1 carcinoma cells, Munc13-4 KO platelets also showed complete abrogation of dense granule secretion, whereas alpha granule secretion and binding of platelets to tumor cells was unchanged. Interestingly, wild-type platelets, but not Munc13-4 KO platelets, enhanced transmigration of B16 and LLC1 cells through an endothelial cell layer. Exogenous ATP was able to mimic the effect of wild-type platelets and the ATP-degrading enzyme apyrase blocked platelet-mediated tumor cell transmigration. Platelets incubated with tumor cells secreted large amounts of ATP. Murine endothelial cells showed perturbed adherens junctions identified by irregular VE-cadherin staining and gap formation when incubated with supernatants from tumor cell-activated platelets as well as increased permeability under the same conditions. Addition of apyrase preserved normal endothelial morphology and function. In vivo, primary tumor growth and weight was comparable in wild-type and Munc13-4 KO mice upon B16 or LLC1 flank injection but formation of lung metastases was strongly reduced. Number, but not size of metastases was also reduced upon i.v. injection of B16 and LLC1 cells. We found P2Y2 and P2X4 receptors to be the most abundantly expressed endothelial metabotropic and ionotropic ATP receptors, respectively. Neither knock-down nor inhibition of P2X4 in endothelial cells influenced platelet-mediated transendothelial migration of B16 cells, but knock-down of P2Y2, for which no specific antagonist is available, strongly reduced plateletdependent tumor cell transmigration. When B16 melanoma cells were injected i.v. shortly after FITC-dextran (70 kDa) into wild-type mice, prominent leakage of FITC-dextran was observed three hours post-injection at extraluminal sites in the lung. In contrast, leakage into the lung parenchyma was at basal levels in Munc13-4 KO and P2Y2 KO mice after B16 cell injection. Marginal vascular leakage in Munc13-4 KO mice lacking platelet ATP secretion and in P2Y2 KO mice lacking the main endothelial ATP receptor correlated with strongly reduced extravasation of CFSE-labeled B16 melanoma cells 6 hours post-injection in these mice. Consistently, P2Y2 KO mice showed strongly reduced formation of metastases in the lung after i.v. injection of B16 or LLC1 tumor cells. Bone marrow-transplanted LDLR KO mice reconstituted with Munc13-4-deficient or wildtype bone marrow and subjected to 16 weeks of high fat diet showed no significant difference in atherosclerotic plaque formation in the aorta. Discussion: We hereby provide a thorough analysis of a mouse line with an exclusive defect in platelet dense granule secretion, thus representing a unique genetic tool to study the role of dense granule secretion in various contexts without interfering with other platelet functions. We also provide evidence how extravasation of circulating tumor cells is facilitated by tumor cell-induced ATP release from platelets. This ATP release destabilizes endothelial barriers and facilitates tumor cell extravasation and formation of metastases in the target organ. Since metastasis is the leading cause of cancer death, pharmacological interference with endothelial P2Y2 receptor function may represent a promising therapeutic strategy.

Untersuchungen zur Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für die Alterung von Podospora anserina

Sandra Zintel — Fri, 17 May 2013 11:16:13 +0200

Im Rahmen dieser vorliegenden Doktorarbeit sollte die Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für das Resistenzverhalten und den Alterungsprozess bei P. anserina untersucht werden. Folgende Befunde aus den Analysen konnten erhalten werden: 1. Lokalisationsstudien der drei PaSods Aus den biochemischen und fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der drei verschiedenen PaSODs geht hervor, dass PaSOD1, eine Cu/ZnSOD, überwiegend im Cytosol und zu einem geringen Anteil im mitochondrialen Intermembranraum lokalisiert ist. Eine der beiden MnSODs, PaSOD2, wird vermutlich zur Abwehr von exogenem Superoxid sekretiert. Bei PaSOD3 handelt es sich um eine mitochondriale MnSOD. 2. Generierung von verschiedenen PaSod-Mutanten Im Rahmen dieser Arbeit wurden von jeder PaSod mindestens drei unabhängige Überexpressionsstämme, ein GFP-Stamm- und ein Deletionsstamm hergestellt. Weiterhin wurden alle möglichen Doppel-Deletionsstämme und die Dreifach-Deletionsmutante erzeugt. Alle Stämme wurden auf DNA-Ebene verifiziert, zusätzlich wurde die Proteinmenge bzw. –Aktivität überprüft. 3. Einfluss der PaSODs auf die ROS-Toleranz Die Analysen der ROS-Resistenzen haben gezeigt, dass PaSODs eine wichtige Rolle in der Entgiftung von Superoxiden spielt. So ließ sich bei den Deletionsstämmen der PaSods eine gesteigerte Sensitivität gegenüber Paraquat feststellen. Eine Aufsummierung der Sensitivität gegenüber Paraquat ist bei der PaSod-Tripelmutante (ΔPaSod1/2/3) zu erkennen. Überraschenderweise kann durch die gesteigerten Mengen an aktiver PaSOD in den Überexpressionsstämmen (PaSod1-3_OEx) keine verbesserte Resistenz gegenüber Paraquat erzielt werden. Darüber hinaus führt die Überexpression des Gens für die mitochondriale SOD, PaSOD3, zu massiven negativen Effekten. 4. Einfluss auf die Lebensspanne Durch eine fehlende Entgiftung von Superoxid in den PaSod-Deletionsmutanten ist eine Verminderung der Lebensspanne nicht festzustellen. Bei PaSod-Mutantenstämme, die eine erhöhte PaSOD-Aktivität und damit eine gesteigerte Abbaurate des Superoxids aufweisen, kann bei den PaSod1- und PaSod2-Überexpressionsstämmen keine verbesserte Lebensspanne unter den gewählten Standardbedingungen erzielt werden. Vielmehr noch ist die Lebensspanne der PaSod3-Überexpressionsstämme stark reduziert. 5. Einfluss der PaSod-Modulation auf andere Komponenten des ROS-Abbausystems Die PaSOD-Aktivitäten scheinen miteinander co-reguliert zu werden. Des Weiteren scheint es ein Zusammenhang zwischen den beiden sekretierten Enzymen PaSOD2 und PaCATB zu geben. Deutlich wird auch, dass die Modulation der Superoxid-Dismutasen eine weitreichende Auswirkung auf andere Schutzsysteme hat. Beispielweise konnte gezeigt werden, dass Komponenten des mitochondrialen ROS-Schutzsystems und der Protein-Qualitätskontrolle in den PaSod3-Überexpressionsstämmen verändert sind. Zusammenfassend lassen die Analysen der PaSod-modulierten Stämme den Schluss zu, dass die Superoxid-Dismutase in P. anserina ein wichtiges Enzym zum Abbau des schädlichen Superoxids darstellt, welches aber nur eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle der Lebensspanne unter den gewählten Wachstumsbedingungen im Labor ausübt. Des Weiteren haben die Analysen gezeigt, dass es durch die Modulation der PaSod-Gene zu weitreichenden Änderungen, die das ROS-Schutzsystem (PaSOD, PaCATB und PaPRX1) sowie die Protein-Qualitätskontrolle (PaHSP60, PaLON und PaCLPP) betreffen, kommt. Welche Auswirkung dabei diese Veränderungen in Bezug auf die Lebensspanne hat, kann nur schwer abgeschätzt werden und muss mit weiteren Untersuchungen geklärt werden.

Grundlagen zum potentiellen therapeutischen Einsatz humaner natürlicher Killer-Zellen und spezifischer T-Zellen zur Bekämpfung invasiver Mykosen bei Patienten nach allogener Stammzelltransplantation

Stanislaw Schmidt — Fri, 17 May 2013 10:31:02 +0200

Nach allogenen Stammzelltransplantation und der damit einhergehenden lang andauernden Immuninkompetenz bzw. Immunsuppression sind die betroffenen Patienten stark für lebensgefährliche invasive Pilzinfektionen empfänglich. Trotz der derzeit verfügbaren antimykotischen Medikamente liegt die mit diesen Infektionen assoziierte Mortalität je nach Literatur bei 90 %. Aus diesem Grund rücken zelltherapeutische Behandlungen, die die Immunität der Patienten mit Pilzinfektionen verbessern und so die Sterblichkeit verringern könnten, immer mehr in den Fokus der Forschung auf diesem Gebiet. Leider ist die Interaktion von humanen Natürlichen Killer Zellen mit den wichtigen Verursachern invasiver Mykosen A. fumigatus und R. oryzae bisher nicht untersucht. Die Wichtigkeit von TH-Zellen in der Pilzabwehr wird zunehmend erkannt. Daher wurde bereits versucht die Prognose von Patienten mit invasiven Aspergillosen nach SZT durch den Transfer von Spender-Aspergillus-spezifischen T-Zellen zu verbessern. Die Generierung anti-R. oryzae T-Zellen sowie die Charakterisierung dieser Zellen ist bisher nicht durchgeführt worden. Deshalb sollte im ersten Teil dieser Arbeit sollte die antifungale Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber A. fumigatus sowie R. oryzae untersucht und charakterisiert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte die Generierung von spezifischen T-Zellen gegen R. oryzae aus Zellen des peripheren Blutes gesunder Individuen durchgeführt werden und die generierten Zellen im Hinblick auf ihre Funktionalität, Sicherheit und Wirkspektrum in vitro charakterisiert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte die direkte antimykotische Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber Hyphen von A. fumigatus und R. oryzae gezeigt werden und ein Mechanismus dieser Aktivität identifiziert werden. So induzierte der Kontakt von IL-2 stimulierten NK-Zellen mit Pilzhyphen die Degranulierung der NK-Zellen und die Ausschüttung von Perforin, welches zumindest partiell, die antimykotische Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber A. fumigatus und R. oryzae Hyphen vermittelte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen allerdings auch, dass der therapeutische Nutzen adoptiv transferierter NK-Zellen durch einige Faktoren begrenzt werden könnte. Einerseits hatten NK-Zellen keinen zytotoxischen Effekt auf Konidien beider getesteten Pilze, andererseits deutet die beobachtete Immunsuppression darauf hin, dass ein stimulierender Effekt durch die transferierten NK-Zellen auf andere Zellen des Immunsystems durch die Hyphen der beiden Pilze inhibiert werden könnte. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich T-Zellen gegen R. oryzae in allen getesteten gesunden Individuen nachweisen lassen und diese isoliert und kultiviert werden können. Das deutet darauf hin, dass hinsichtlich anti-R. oryzae T-Zellen keine Restriktionen bei der Spenderauswahl zu erwarten sind. Die hergestellten Zellen konnten anhand der Expression ihrer Oberflächenantigene sowie des Profils der ausgeschütteten Zytokine dem TH1-Typ zugeordnet werden, welcher mit der protektive Immunantwort bei Pilzinfektionen assoziiert wird. Nach spezifischer Stimulation produzierten die generierten anti-R. oryzae T-Zellen die bei der Bekämpfung von Pilzinfektionen eine wichtige Rolle spielenden pro-inflammatorischen Zytokine IFN-γ und TNF-α und erhöhten die Aktivität der für die Abwehr von Pilzen wichtigen Granulozyten und Monozyten in vitro. Zwar zeigten die generierten T-Zellen bei Kontakt mit allogenen APZ eine geringe Proliferationsantwort, diese war jedoch mit der nach Stimulation mit autologen, unbeladenen APZ gesehenen Proliferation vergleichbar. Diese Ergebnisse zeigen, dass die generierten anti-R. oryzae T-Zellen zumindest in vitro ein deutlich geringeres alloreaktives Potential als unselektionierte T-Zellen haben. Entsprechende Resultate zeigten sich auch bei Betrachtung der IFN-γ Sekretion der generierten anti-R.oryzae T-Zellen. Die Stimulation mit Fremdspender-APZ beeinflusste die Sekretion von IFN-γ durch die anti-R. oryzae T-Zellen im Vergleich zu der IFN-γ-Sekretion durch anti-R. oryzae T-Zellen, mit autologen, unbeladenen APZ stimulierten wurden, kaum. Des Weiteren wiesen die hergestellten anti-R. oryzae T-Zellen zahlreiche Kreuzreaktivitäten gegenüber anderen Pilzspezies, auch Genera übergreifend, auf. So zeigten sie Kreuzreaktivität gegenüber klinisch bedeutenden Pilzen wie Rhizopus microsporus, Mucor circinelloides, Rhizomucor pusillus, Aspergillus fumigatus, Aspergillus niger, Candida albicans und Candida glabrata, die alle als Erreger invasiver Mykosen bei immunsupprimierten Patienten bekannt sind. Die Stimulation mit Antigenen dieser Pilze mittels Antigenpräsentierenden Zellen führte zur einen deutlichen IFN-γ-Produktion durch die generierten Zellen.

Validierung einer neuen Messmethode zur direkten Bestimmung der Heparin-Konzentration im Blut

Stephanie Haselbach — Thu, 16 May 2013 13:58:18 +0200

In dieser Arbeit wurde ein neues Verfahren zur Heparin-Bestimmung (LiSA-H, light scattering assay of heparin) evaluiert. Dieses wurde an der Universität Frankfurt a. M. am Institut für Biophysik entwickelt und ermittelt erstmals die direkte Heparin-Konzentration im Blutplasma. Durch die Analyse der Lichtstreuung einer Plasmaprobe wird die Bildung von Nanopartikeln aus Heparin und Protamin verfolgt. Die Lichtstreuintensität ist dabei proportional zu der in der Probe enthaltenen Heparin-Plasmakonzentration (Heparin-PK). Das Antikoagulans Heparin wird bei Herz-OPs mit Einsatz der Herz-Lungen-Maschine (HLM) verwendet und soll perioperativ eine lutgerinnselbildung in der HLM, sowie Thromboembolien im Patienten verhindern. Am OP-Ende wird die Wirkung durch Protamin antagonisiert, um eine suffiziente Gerinnung wieder herzustellen. Das derzeitige Gerinnungsmanagement basiert auf einem indirekten Messverfahren, der ACT (activated clotting time), welches starken Störeinflüssen, wie z.B. der Hypothermie, Hämodilution und bestimmten Medikamenten unterliegt. Durch die mögliche Falschdosierung der beiden Medikamente, steigt die Gefahr einer Blutung und Thrombose. LiSA-H soll in Zukunft eine zuverlässigere und kostengünstige „point of care― Analyse der Gerinnung und hierdurch eine gezielte Dosierung von Heparin und Protamin ermöglichen, die die Komplikationsrate verringert. In der vorliegenden Studie handelt es sich um eine offene, nicht kontrollierte, prospektive Multicenter-Studie, die mit 50 Patienten am Universitätsklinikum Frankfurt a.M. und 30 Patienten am Kinderherzzentrum Gießen durchgeführt wurde. Es wurde gezeigt, dass die durchschnittliche perioperative Heparin-PK bei Erwachsenen und Kindern bei ca. 5,4 I.E./ml liegt. Es wurde nachgewiesen, dass die Heparin-Clearance bei Kindern (~113 Min.) um das zweifache im Vergleich zu Erwachsenen (~254 Min.), erhöht ist. Besonders hervorzuheben ist die hohe Fehlerquote der ACT-Messung, die bei Erwachsenen in bis zu 1,8 % und bei Kindern in bis zu 20 % der Messungen keinen aussagekräftigen Wert lieferte. Das bedeutet, dass bei Kindern während einer OP bis zu zwei und bei Erwachsenen bis zu drei Stunden keine Information über den aktuellen Gerinnungszustand vorlag. Um eine Validierung der Messergebnisse vorzunehmen, wurden Rückstellproben mit dem Standardlaborverfahren PiCT (Prothrombinase induced clotting time) gemessen. Die Daten aus dem PiCT korrelieren mit den Ergebnissen aus der LiSA-H-Messung wesentlich besser (r² = 0,80), als mit der herkömmlichen ACT-Messmethode (r² = 0,57). Die ermittelten Heparin-PK und die ACT-Werte während einer OP wurden in Chronogrammen dargestellt. Es wurde gezeigt, dass in 30 % der OPs bei Erwachsenen und in 60 % bei Kindern die Messdaten aus der ACT und LiSA-H nur unzureichend synchron bei Nachdosierung mit Heparin anstiegen oder entsprechend der Heparin-Clearance im OP-Verlauf abfielen. Dies zeigte sich besonders kritisch während langandauernder, komplikationsreicher OPs, die einen erhöhten Blutverlust oder sogar Rethorakotomien nach sich zogen, in denen der ACT-Wert eine suffiziente Gerinnung nahe legte, die LiSA-HMessung aber eine noch hohe Heparin-PK nachwies. Erfahrungen aus den klinischen Studien zeigten, dass die Kombination aus der Messung der Heparin-PK und einer Gerinnungsanalyse bei einem ATIII-Mangel von Vorteil ist. Erst die Kombination aus einerseits mehrfach niedrig gemessener ACT-Werte, trotz ggf. Nachdosierungen von Heparin und andererseits ausreichend gemessener Heparin-PK im LiSA-H, kann einen ATIII-Mangelzustand aufdecken. Dadurch können Nach- bzw. Überdosierungen vermieden und damit die Wahrscheinlichkeit für postoperative Komplikationen verringert werden. Der wichtigste Einflussfaktor auf die LiSA-H-Messung ist die Hämodilution, die durch Einbeziehung des Patienten-Blutvolumens (z.B. mit der Nadler-Formel) durch mathematische Korrektur berücksichtigt werden kann. Patientenindividuelle Reaktionen auf gleiche Heparin- und Protamin-Dosierungen sowie eine patientenspezifische Heparin-Clearance zeigten in diesen Studien auf, dass das derzeitige Antikoagulationsmanagement mit den Dosierungsempfehlungen (Körpergewichtsbezogene Dosierung, 1:1 Dosierung von Protamin zur initialen Heparin-Dosis oder der summierten Heparin-Dosis, „pauschale― Nachdosierungen von 5.000 oder 10.000 I.E. Heparin bei ACT < 480) für eine optimale Dosierung der Medikamente unzureichend ist. In Outcome-Studien soll mit der LiSA-H-Messung Dosierungsempfehlungen von Heparin und Protamin ausgearbeitet werden. Außerhalb der Herz-Thorax-Chirurgie eröffnen sich weitere Möglichkeiten, wie z.B. in Dialysezentren und in der Neurochirurgie, für die bereits Studien geplant sind.

Essays on banking and financial markets

Björn Hilberg — Fri, 03 May 2013 08:36:08 +0200

In this thesis the behavior of banks in financial markets which banks frequently use to obtain short-term as well as long-term financing is studied. In the first chapter we incorporate an interbank market for collateralized lending among banks into a dynamic, stochastic, general equilibrium (DSGE) framework to analyze the impact of variations in the expected value of the collateral on the interbank lending volume. We find that a central bank which decides to lower the haircut on eligible collateral in repurchase agreements is able to stimulate interbank markets. In the second chapter a microeconomic model of bank behavior on the interbank market is set up to analyze the impact of risk-taking behavior of interbank borrowing banks and uncertainty about their balance sheet quality on the lending behavior of interbank lending banks. It is found that the disruptions on the interbank market are the result of optimal behavior on the part of interbank lending banks in response to the uncertainty about the balance sheet quality of an interbank borrowing bank. In the third chapter we use monthly data on German bank bond spreads and regress it on bank-specific risk factors to assess the degree of market discipline in the German bank bond market. The regression results for the whole German bank bond market indicate that the bond spread does not show signs of market discipline. However, a structural break analysis uncovers that since the beginning of the financial crisis the German bank bond market exhibits at least a weak form of market discipline for bonds issued by medium-size and large banks.

Theoretische und experimentelle Untersuchungen zu Wechselwirkungen organischer Spurenstoffe mit Eis und Bestimmung der Kristallstrukturen organischer Spurenstoffe mittels Röntgenpulverdiffraktometrie

Sonja Hammer — Fri, 26 Apr 2013 11:56:44 +0200

Die Wechselwirkungen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) mit Eis in der Atmosphäre sind für viele umweltrelevante Aspekte von Interesse, dennoch gibt es bisher erst wenige Untersuchungen zu dieser Thematik. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Wechselwirkungen verschiedener VOCs mit Eis durch Kraftfeldrechnungen simuliert. Als Substanzen wurden das Keton Aceton, die Kohlenwasserstoffe Isopren und Mesitylen, die Alkohole Ethanol, tert-Butanol, 2-Methyl-3-buten-2-ol (MBO) und Perillylalkohol, die Ether Methyl-tert-butylether und Ethyl-tert-butylether (ETBE) sowie die Aldehyde Nonanal und Methacrolein ausgewählt. Hierbei wurden sowohl die Adsorption an verschiedenen Oberflächen von hexagonalen Eis (Eis Ih) und von kubischem Eis (Eis Ic) als auch die Absorption in Eiskristallen und an den darin enthaltenen Linien- und Flächendefekten betrachtet. Für jedes VOC wurden die resultierenden Strukturen sowie die dazu gehörigen Enthalpien ermittelt und mittels Boltzmann-Statistik ausgewertet. Für die Berechnung der Wechselwirkungen von VOC mit Eis wurde ein Kraftfeld entwickelt, das sowohl die Strukturen von Eis Ih und Eis Ic als auch die Strukturen der organischen Moleküle und ebenso die Wechselwirkungen zwischen Eis und organischem Molekül gut wiedergibt. Es basiert auf dem für organische Moleküle verwendeten DREIDING-Kraftfeld und wurde modifiziert mit Parametern für Wasser aus dem TIP5P-E-Kraftfeld. Das Kraftfeld wurde an Ab-initio-Rechnungen und experimentellen Daten validiert. Die Simulationen erbrachten folgende Ergebnisse: – Unpolare Kohlenwasserstoffe werden nur in geringem Maße an den Eisoberflächen adsorbiert; eine Absorption in die Eiskristalle ist energetisch noch wesentlich ungünstiger. Für diese Verbindungen ist der Austrag aus der Atmosphäre durch Wechselwirkungen mit der Eisphase daher nicht relevant. – Sauerstoffhaltige Verbindungen werden an der Eisoberfläche gut adsorbiert. Zwischen dem VOC-Molekül und der Eisoberfläche bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen aus. Ihre Anzahl ist abhängig von der Art des Moleküls (Keton, Aldehyd, Ether oder Alkohol). Die Simulationen zeigen, dass die nasse Deposition durch Wechselwirkungen mit der Eisphase für diese Stoffe ein Austragsweg aus der Atmosphäre ist, der nicht vernachlässigt werden darf. – Bei einem Einbau von VOC-Molekülen in den Eiskristall wird die Eisstruktur teilweise erheblich verzerrt. Je kleiner die VOC-Moleküle sind, desto geeigneter sind sie für einen Einbau in den Eiskristall; bei größeren Molekülen ist der Einbau aufgrund des sterischen Anspruchs behindert. Zunehmende Größe des Moleküls begünstigt andererseits die Adsorption. Parallel zu den theoretischen Untersuchungen wurde eine Apparatur entwickelt, mit der sich die Ad- und die Absorption von VOCs beim Wachsen der Eiskristalle experimentell untersuchen lässt. Die Eiskristalle entstehen dabei unter kontrollierten Bedingungen und wachsen, wie in der Atmosphäre, durch Anlagerung von Wasserdampf. Gleichzeitig wird dem Wasserdampf eine definierte Menge an VOC zugegeben. Das entstehende Eis wurde mittels GC analysiert. Als alternatives Analyseverfahren zur Bestimmung von VOCs in Wasser wurde ein NMR-Verfahren entwickelt, das quantitative Messungen im dreistelligen ppm-Bereich erlaubt. Erste Untersuchungen an Eiskristallen, die in Gegenwart von ETBE erzeugt wurden, zeigten, dass dieses VOC − wie auch in den Simulationen vorhergesagt − überwiegend an der Oberfläche von Eis adsorbiert, und nicht in den Eiskristall eingebaut wird. Für ETBE wurde im Rahmen dieser Arbeit zusätzlich die Kristallstruktur der alpha-Phase aus Röntgenpulverdaten durch Kristallstrukturvorhersage und Realraummethoden bestimmt. ETBE kristallisiert in der für organische Verbindungen sehr seltenen Raumgruppe C 2/m. Die experimentelle Kristallstruktur entspricht der von der Dichte her günstigsten, von der Gitterenergie her zweitgünstigsten vorhergesagten Kristallstruktur. Die Kristallstruktur eines zweiten VOCs, MBO, konnte ebenfalls aus Röntgenpulverdaten bestimmt werden, obwohl die Kristallstruktur drei symmetrieunabhängige Moleküle pro asymmetrischer Einheit enthält. Da sowohl ETBE als auch MBO bei Raumtemperatur flüssig sind, wurden beide für die Messungen bei tiefer Temperatur kristallisiert. Die Kristallstrukturen dieser beiden VOCs können wiederum zur Simulation von sekundären organischen Aerosolen in der Atmosphäre genutzt werden. Auch die Kristallstrukturen zweier weiterer Verbindungen konnten aus Röntgenpulverdaten bestimmt werden: zum einen die Strukturen des Trihydrates, des Monohydrates und des Anhydrates von Pigment Red 57:1 (C18H12CaN2O6S), dem wichtigsten industriellen Rotpigment, mit dem weltweit die Mehrheit aller Zeitungen und Zeitschriften gedruckt werden, zum anderen die Struktur des 2-Butanol-Hemisolvats von Methyl-(2R,3R)-2-{3-[amino(imino)methyl]benzyl}-3-{[4-(1-oxido-4-pyridinyl)benzoyl]¬amino}butanoat-hydrochlorid. Mit diesen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass Kristallstrukturen organischer Verbindungen aus Röntgenpulverdaten auch dann bestimmt werden können, wenn verschiedene Probleme kombiniert auftreten, z. B. schlecht kristalline Pulver, Textur, Solvate, Hydrate, Fehlordnung, funktionelle Gruppen mit vergleichbarer Streukraft, mehrere symmetrieunabhängige Moleküle, hohe Anzahl von Parametern bei der Strukturlösung etc. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass die Wechselwirkungen zwischen sauerstoffhaltigen VOC-Molekülen und der Eisphase nicht vernachlässigt werden dürfen. Sie sollten in Simulationen der Atmosphäre berücksichtigt werden, um so Aussagen über Auswirkungen auf das Klima und andere umweltrelevante Aspekte zu verbessern.

Analyses of the human ribosome biogenesis co-factors PWP2, EMG1 and XPO5 / von Matthias Sebastian Leisegang

Matthias Leisegang — Mon, 22 Apr 2013 08:52:14 +0200

Ribosome biogenesis is best understood in the yeast Saccharomyces cerevisiae. In human or mammalian ribosome biogenesis, it has been shown that basic principles are conserved to yeast, but additional features have been reported. Our understanding about the interplay between proteins and RNA in human ribosome biogenesis is far from complete. The present study focused on the analysis of the human ribosome biogenesis co-factors PWP2, EMG1 and Exportin 5 (XPO5) to understand the degree of conservation of ribosome biogenesis. The proteins were characterized in respect to their localization and interaction partners. For the early 90S co-factor, PWP2, it was possible to pull down and identify the human UTP-B complex with MALDI mass spectrometry. Besides the orthologues of the members of this complex known in yeast (TBL3, WDR3, WDR36, UTP6, UTP18), the human UTP-B complex is not only conserved from yeast to humans, but contains also additional components, like the DEAD-box RNA helicase DDX21, which lacks a yeast orthologue. DDX21 was localized to the nucleus, assembled to the native UTP-B complex and co-precipitated also with other UTP-B complex members, presumably extending the functions of this complex in ribosome biogenesis. This phenomenon was also observed for the 90S co-factor EMG1, an RNA methyltransferase, whose mutant form causes the Bowen-Conradi syndrome, if aspartic acid is mutated to glycine at position 86. This study revealed that the mutant, EMG1-D86G, clearly lost its nucleolar localization and co-precipitated to histones for unknown reasons. A participation of the nuclear export receptor XPO5 in human ribosome biogenesis was shown in this study. Pulldown analysis, sucrose density gradients and UV crosslinking and analysis of cDNAs of XPO5 revealed the involvement of XPO5 in pre-60S subunit maturation. Moreover, besides the known pre-miRNAs and tRNAs as substrates for nuclear export, XPO5 crosslinked to snoRNAs. XPO5 was further demonstrated to interact with the miRNA Let-7a, which has an important regulatory function for MYC, a transcription factor required for ribosome biogenesis. All results support a role of these proteins in human ribosome biogenesis and therefore it seems that the biogenesis of ribosomes in human cells requires additional components, like DDX21 and XPO5.

Are books different? : Die Auswirkungen des Falls der Buchpreisbindung in Großbritannien 1995 - 2006

Carolin Caliendo — Mon, 22 Apr 2013 08:51:20 +0200

Sicherlich gibt es im Buchhandel wie in jeder anderen Branche Zeiten der Krise und des Umsatzrückgangs, aber grundsätzlich legen die Zahlen nicht nah, dass das Ende bevorsteht. Es stellt sich also die Frage, ob zutrifft, was Richter Buckley in seinem zum geflügelten Wort gewordenen Urteil feststellte: Sind Bücher wirklich anders, oder anders gefragt, braucht der Buchhandel den Schutz des Staates, um seine Funktion erfüllen zu können? Um eine Antwort auf diese Fragen zu finden, soll in dieser Arbeit das Hauptaugenmerk auf die Entwicklung des britischen Buchhandels im Zeitraum von 1995 (dem Jahr der faktischen Abschaffung des Net Book Agreement bis 2006 gelegt werden. Nach dem beinahe hundertjährigen Bestehen der Buchpreisbindung waren diese Jahre richtungweisend für die Neuorientierung des britischen Buchhandels auf die Bedingungen eines freien Marktes, und es soll untersucht werden, welche Umwälzungen sich daraus für die Branche ergeben haben.

"Janus Germania?" : das Leitbild und die Außen- und Sicherheitspolitik des vereinigten Deutschland und ihre Veränderungen anhand des Fallbeispiels der Auslandseinsätze der Bundeswehr

Yôichi Nakagawa — Mon, 22 Apr 2013 08:50:46 +0200

Nachdem zunächst Ziel und Forschungsgegenstand dieses Aufsatzes erläutert (1.2.1) wurden, werden die Definitionen der Leitbilder verdeutlicht, der in diesem Aufsatz eine zentrale Rolle spielen (1.2.2). Danach werden die vorangegangenen Studien über die „Leitbilder“ der deutschen Außenpolitik zusammengefasst und die Fragestellung dieser Arbeit diskutiert (1.2.3). Da ein Ziel dieser Arbeit die Verdeutlichung der Kontinuitätsund Wandelseite des „Leitbildes“ ist, das die deutsche Außenpolitik in der Realität verfolgt, fasst der Verfasser schließlich die Debatte über „Kontinuität und Wandel der deutschen Außenpolitik“ zusammen. Hier wird der Verfasser die Debatte über „Kontinuität und Wandel der deutschen Außenpolitik“ mit der Debatte über „Leitbilder“ der deutschen Außenpolitik konvergieren. Dadurch wird der Verfasser verdeutlichen, dass sich im „Leitbild“ die Essenz der deutschen Außenpolitik widerspiegelt (1.2.4).

L’œuvre sculptée de Jean-Antoine Étex : l’expressivitée comme source de l’inspiration artistique

Stefan Eric Püngel — Mon, 22 Apr 2013 08:47:42 +0200

Elève de Pradier, d’Ingres et de Duban le sculpteur, peintre et architecte Jean Antoine Étex (1808-1888) s'essayait à toutes les formes d'art laissant après son décès une œuvre abondante qui compte plus de 450 ouvrages. Déjà un nombre imposant de ses scupltures sont disséminées dans la capitale de la France. On les rencontre dans des endroits stratégiques de la métropole. Mais aussi beaucoup d’autres villes et musées de la France conservent des ouvrages importants de cet artiste. Parmis les œuvres les plus connues comptent les deux haut-reliefs « La Résistance » et « La Paix » à l’Arc de Triomphe de l’Étoile puis le groupe en marbre « Caïn et sa race maudits de Dieu », chef -d’œuvre de la sculpture romantique, conservé aujourd’hui au Musée de Lyon. En tant que républicain convaincu et adhérent du saint-simonisme, Étex participait activement aux révolutions de 1830 et de 1848 combattant incessamment pour l’instauration de la République. Sous la monarchie de juillet, il avait connu un grand succès et une grande célebrité mais son art fut peu estimé sous le second Empire. Gravement défavorisé par le gouvernement imperial, Étex perdait sa place parmis les premiers artistes de la France et ses œuvres tombaient aussitôt dans l’oubli. Ce présent thèse de doctorat fournit pour la première fois une biographie détaillée et un catalogue raisonné de l’œuvre de cet artiste important. Ses propres écrits (publications et correspondance), les documents dans les archives françaises ainsi que la critique d’art concernant ses œuvres y sont exploités.

Development of native electrophoretic techniques for the isolation and characterization of mitochondrial complexes

Zibirnisa Kadeer — Thu, 18 Apr 2013 15:47:12 +0200

In the first part of this work, the development of a novel two-dimensional native gel electrophoretic system (2-D BN/hrCNE) is described. This new system simplifies proteomics and biochemical analysis of mega protein complexes that are dissociated into the constituent complexes during 2-D electrophoresis, thereby reducing the complexity of the system considerably. This technique is exceptionally well suited for the in-gel detection of fluorescence-labeled proteins and the identification of individual enzymes and protein complexes by specific in-gel assays on native gels. In the second part, a new technique for the native immunoblotting of blue native gels (NIBN) was developed. This new technique allows for the identification of conformation-specific antibodies and the discrimination of antibodies recognizing linear epitopes of denatured proteins. Identification of conformation-specific antibodies is becoming increasingly important not only for the electron microscopic identification of native proteins but also for structural investigations in general. For this purpose, a commonly used protocol for Western blotting of blue native gels was modified in such a way that the native state of proteins and protein complexes was retained throughout the complete protocol. Instead of using the denaturing methanol in Western blotting protocols, mild detergents such as Tween 20, digitonin and Brij 35 were used for the obligatory removal of protein bound Coomassie-dye. The detection of respiratory complex I by activity staining on the blot membrane demonstrated that all three non-ionic detergents preserved the native state of complex I. The native state of the enzyme on the blot membrane was also monitored and confirmed with the help of a set of conformation-specific antibodies. NIBN can be used as a simple alternative method to the demanding native ELISA to screen for conformation-specific antibodies for structural studies. Unlike the time consuming native ELISA, NIBN does not require introduction of appropriate affinity tags and purification of the target protein by chromatography. Thus, the NIBN technique is especially useful for microscale projects and for proteins not easily accessible to genetic manipulation. The third part aimed at identification of the immediate protein interaction partners of Cox26, a hydrophobic protein that has been identified by our group as a novel component of yeast respiratory supercomplex. Multi-dimensional electrophoretic techniques were applied to identify non-covalent and covalent protein-protein interactions of Cox26. Three-dimensional electrophoresis (BNE/BNE/SDS-PAGE) gave both qualitative and quantitative information on covalent and non-covalent interactions of Cox26 and subunits of cytochrome c oxidase (complex IV), and showed that most of the Cox26 protein was non-covalently bound to the complex IV moiety of the respirasomes. Four-dimensional electrophoresis (BNE/BNE/SDS/SDS-PAGE) applying reducing and non-reducing conditions revealed that a minor fraction of Cox26 used a single cysteine residue in the center of a predicted transmembrane helix to form a disulfide bond with the Cox2 subunit of complex IV. A structural role of Cox26 protein in the assembly/stability of respiratory strings or patches has been suggested. The last part of this work focused on the isolation and characterization of native and morphologically intact nucleoids from bovine heart mitochondria, since only a few studies on nucleoid organization and composition have been carried out on mammalian tissues. The nucleoids appeared as distinct bands (apparent mass around 30-36 MDa) in blue native-PAGE on large pore gels. The moderate variation in particle size seems to reflect variations in the binding of loosely nucleoid-associated components like respiratory chain complexes. The estimated 30-36 MDa mass of nucleoids on native gels suggested that each nucleoid contains one mtDNA molecule provided that nucleoids contains equal amounts of DNA, protein and RNA (Miyakawa et al., 1987). Electron microscopic analysis of native nucleoids, which was performed by Dr. Karen Davies from the Max-Planck-Institute of Biophysics, Department of Structural Biology, Frankfurt, showed homogenous pool of particles with dimensions in 85x100 nm (in negative stain) and 100x150 nm (in cryo-tomography). Some of the nucleoids showed dumbbell-shape indicating dimerization of nucleoids. Recent EM and high-resolution light microscopy analysis of mammalian nucleoids have reported that nucleoids have a size of 70 nm in average. We also observed the same size of 70 nm in cryo-tomogramms when we applied harsher treatment of the native nucleoid particles with dimensions 100x150 nm. This observation is in agreement with published nucleoid sizes from both EM and high-resolution light microscopy, if we assume that native nucleoids have been dissociated under harsher treatment. The protein composition of bovine heart mt-nucleoids was analyzed by a number of complementary approaches to identify low and highly abundant, easily dissociating and tightly bound proteins, and to rank the 90 most abundant mt-nucleoid proteins. Native and denaturing gel electrophoresis techniques were coupled to LC-MS/MS to achieve a comprehensive protein component analysis. Qualitative MS analysis of highly purified nucleoids identified more than 400 proteins, including well known nucleoid proteins such as mitochondrial transcription factor and mtDNA-binding protein (TFAM), mitochondrial single-stranded DNA-binding protein (mtSSB), mitochondrial DNA polymerase subunit gamma-2 (POLG2) and mitochondrial helicase C26H10ORF2 protein (Twinkle). These proteins were ranked according to Mascot scores, and sorted according to presumed functional properties. A large group of proteins involved in protein synthesis comprised an almost complete set of subunits of mitochondrial ribosomes suggesting that the nucleoids contained significant amounts of mitochondrial ribosomes. Identification of sixty six proteins from the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system comprising around 100 proteins in total suggested that OXPHOS proteins are also associated with mt-nucleoids. Interestingly, TFAM, described as a main mtDNA packaging factor in human and other mammalian cells, was not confirmed here as a major nucleoid component from bovine heart mitochondria. Fluorescence staining of protein spots on 2-D IEF/SDS gels clearly identified TFAM, but according to the stain intensity, this protein did not rank in the list of the 90 most abundant nucleoid proteins. Western blot analysis of sucrose gradient fractions revealed an enrichment of putative TFAM isoform in nucleoid fractions. Unexpectedly, the uncharacterized mitochondrial protein Es1 was identified as the most abundant nucleoid protein in bovine heart nucleoids instead. This implicates that nucleoid organization may differ between species and tissues. A functional characterization of Es1 is required to clarify its role in mammalian nucleoids.

Entwicklung und klinische Validierung einer streilichtphotometrischen Messmethode zur direkten Konzentrationsbestimmung des Antikoagulans Heparin

Jürgen Maurer — Fri, 12 Apr 2013 08:26:58 +0200

Heparin wird als gerinnungshemmendes Medikament in vielen Bereichen eingesetzt: in niedriger Dosierung wird es vor allem zur Thromboseprophylaxe verwendet, in höheren Konzentrationen kommt es zum Beispiel in der Hämodialyse oder bei herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine zum Einsatz, um ein Gerinnen des Patientenblutes zu verhindern. Obwohl Heparin schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt wird, fehlt bis heute eine Methode, mit der sich die Heparin-Konzentration einfach, schnell und kostengünstig während des OP-Verlaufs bestimmen lässt. Vielmehr wird der Zustand des Patientenblutes über Gerinnungsverfahren eingeschätzt, die nur indirekt abhängig von Heparin sind und die von vielen Parametern beeinflusst werden. Eine Überwachung des Heparinspiegels ist mit diesen Methoden nicht möglich. Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn am Ende des Eingriffs die normale Blutgerinnung wiederhergestellt werden soll. Zu diesem Zweck wird Protamin verabreicht, welches das im Patientenblut zirkulierende Heparin binden und damit dessen gerinnungshemmende Wirkung neutralisieren soll. Die Verabreichung des Protamins geschieht jedoch nicht, wie es idealerweise wäre, entsprechend der aktuellen Heparin-Konzentration, da derzeit kein Heparin-Messverfahren existiert. Dies kann eine fehlerhafte Heparin-Neutralisierung zur Folge haben, welche mit weitreichenden Nebenwirkungen, vor allem einer erhöhten Blutungsgefahr, verbunden ist. Aufgrund dieser Problematik wurde eine streulichtphotometrische Methode (LiSA-H) entwickelt, mit dem die Bestimmung der Heparin-Konzentration einer Patientenprobe während chirurgischen Eingriffen möglich ist. Diese basiert auf der Messung der Intensität des an Heparin-Protamin-Nanopartikeln gestreuten Lichts. Diese Nanopartikel bilden sich, sobald Protamin einer Lösung mit Heparin, z.B. heparinisiertes Blutplasma, zugegeben wird. Mit Hilfe von analytischer Ultrazentrifugation sowie Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen konnten die Größe und die Größenverteilung der Heparin-Protamin-Partikel charakterisiert werden. Beide Methoden zeigten gut übereinstimmende Ergebnisse und lieferten Partikeldurchmesser von etwa 70 – 200 nm. Um den Prozess der Messung zu optimieren, wurde nach Filtrationsmethoden gesucht, um den zeit- und arbeitsaufwendigen Zentrifugationsschritt zu vermeiden. Dazu wurden Filtermembranen aus verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Porengrößen getestet, die eine Plasmagewinnung durch Filtration von Vollblut ermöglichen sollten. Leider war dies mit den getesteten Filtersystemen nicht möglich. Dies bleibt jedoch ein aktuelles Thema und wird weiterhin untersucht werden. Zusätzlich zu der streulichtbasierten Messmethode konnte gezeigt werden, dass über fluoreszenzspektroskopische Methoden die Bestimmung kleiner Heparin-Konzentrationen möglich ist. Dafür wurde Protaminsulfat mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert und die Erniedrigung der Emissionsintensität des fluoreszierenden Protamins nach Zugabe von Heparin beobachtet. Aus dem Grad dieser Intensitätsabnahme lässt sich auf die Heparin-Konzentration schließen. Diese Methode wäre hervorragend dafür geeignet, das streulichtbasierte Verfahren zu ergänzen, das im niedrigen Konzentrationsbereich zunehmend unempfindlich wird. Hierfür müssen jedoch noch einige Messungen durchgeführt werden, um zu zeigen, ob eine Messung auch von Plasma- oder sogar Vollblutproben möglich ist. Es wurde ein klinischer Prototyp entwickelt, der die Bestimmung der Heparin-Konzentration in einer Blutplasmaprobe während chirurgischer Eingriffe ermöglicht. Dabei wird eine LED mit einem Emissionsmaximum bei 627 nm verwendet und die Streulichtintensität zur Bestimmung der Anzahl und der Größe der Heparin-Protamin-Partikel genutzt. Die Steuerung der Messung sowie die Auswertung der Messdaten werden mit einem Netbook und eigens dafür neu entwickelter Software realisiert. Mit diesem Prototyp lässt sich reproduzierbar aus der Änderung der Streulichtintensität einer Blutplasmaprobe nach Protaminzugabe innerhalb weniger Minuten deren Heparin-Konzentration bestimmen. Es wurde eine Kalibrierfunktion erstellt, mit der es möglich ist, aus der Streulichtintensität die Heparin-Konzentration zu berechnen. Eine erste Studie im Universitätsklinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a.M., bei der bei 50 herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine parallel zur üblichen Gerinnungsmessung eine Heparin-Bestimmung mit dem neuen Heparin-Assay erfolgte, zeigte, dass es mit diesem Verfahren möglich ist, im OP-Verlauf die Heparin-Konzentration im Patientenblut zu ermitteln. Daraus konnten schließlich weitere Informationen wie die individuelle Geschwindigkeit des Heparin-Abbaus erhalten werden. Eine zweite Studie in der Kinderkardiologie des Universitätsklinikums Gießen, deren Ergebnisse statistisch noch nicht vollständig ausgewertet sind, wurde ebenfalls mit Erfolg abgeschlossen. Die vorläufigen Ergebnisse zeigten hier, dass sich die Heparin-Abbaukinetik bei Erwachsenen und Kindern deutlich unterscheidet. Zudem zeigte sich, dass die gemessene Gerinnungszeit bei Kindern wesentlich schlechter (nur 30 % der Fälle) mit der gemessenen Heparin-Konzentration korreliert als bei Erwachsenen (etwa 70 % der Fälle).

Analyse und Vorhersage von Kristallstrukturen tetraederförmiger Moleküle und fehlgeordneter Phasen

Alexandra Kerstin Wolf — Fri, 12 Apr 2013 08:26:06 +0200

Die Kristallstrukturen tetraederförmiger EX4-Moleküle mit E = C, Si, Ge, Sn, Pb und X = F, Cl, Br, I konnten in sieben Strukturtypen eingeteilt werden. In fast allen Verbindungen nehmen die Halogenatome eine verzerrte Kugelpackung (ccp, hcp, bcc, cp) ein. Die E-Atome besetzen in den dichtesten Kugelpackungen 1/8 aller Tetraederlücken, wobei sich für diese Atome ebenfalls eine Anordnung wie für verzerrte Kugelpackungen ergibt (cp, ccp, hcp). In den anderen Fällen (bcc, cp für die Anordnung der Halogenatome) ergibt sich für die Anordnung der E-Atome selbst ebenfalls eine verzerrte Kugelpackung (bcc, s). Dabei steht s für die Anordnung der E-Atome analog der Schwefelatome im Pyrit (FeS2). Jeder Strukturtyp unterscheidet sich in der Art der kürzesten Halogen-Halogen-Wechselwirkungen. Die in der Literatur für halogenierte organische Verbindungen beschriebenen Typen der Wechselwirkung lassen sich auch bei den EX4-Verbindungen finden. Die E-X-X-Winkel liegen in einem Bereich von 80-100° und 130-160° und sind damit etwas kleiner als für die halogenierten organischen Verbindungen. Mit Hilfe von Gitterenergieminimierungen konnten diverse potentielle Polymorphe für die EX4-Verbindungen vorhergesagt werden. Eine vollständige Kristallstrukturvorhersage wurde für SiBr4 durchgeführt. Für diese Vorhersage wurden die Van-der-Waals-Parameter neu bestimmt. Dazu wurde das Br-Br-Potential mit Hilfe von Vergleichsrechnungen an den beiden experimentellen Strukturen des GeBr4 in den Raumgruppentypen Pa3, Z = 8 (s/ccp), und P21/c, Z = 4 (hcp/hcp), optimiert. Für die Vorhersage des SiBr4 konnten zwei der vorhergesagten Strukturen durch extern durchgeführte Kristallisationsexperimente bestätigt werden. Eine Hochtemperaturmodifikation kristallisiert oberhalb von 168K im Raumgruppentyp Pa3, Z = 8 im Strukturtyp s/ccp. Diese Struktur konnte bei der Vorhersage auf Rang 9 gefunden werden. Die Tieftemperaturmodifikation, die unterhalb von 168K vorliegt, kristallisiert im Raumgruppentyp P21/c, Z = 4 (Strukturtyp hcp/hcp). Diese Struktur hat Rang 4 der Vorhersage. Die vorhergesagten und experimentellen Strukturen zeigen nur geringe Abweichungen voneinander. Für die tetraederförmigen E(CH3)4-Moleküle wurden für Tetramethylsilan und Tetramethylgerman vollständige Kristallstrukturvorhersagen durchgeführt. Die energetisch günstigste Struktur ist für beide Verbindungen im Raumgruppentyp Pa3 mit Z = 8 zu finden. Die energetisch zweitgünstigste Struktur hat den Raumgruppentyp Pnma mit Z = 4. Für Tetramethylsilan konnten die Strukturen mit Rang 1 und 2 experimentell bestätigt werden. Eine Hochdruckmodifikation des Tetramethylsilans kristallisiert im Raumgruppentyp Pa3 mit Z = 8. Diese Struktur entspricht der berechneten energetisch günstigsten Struktur auf Rang eins. Ihr konnte der Strukturtyp s/ccp zugeordnet werden. Mit Tieftemperatur-Röntgenpulverbeugungsexperimenten konnte eine Tieftemperaturmodifikation bei T = 100 K im Raumgruppentyp Pnma, Z = 4, mit Strukturtyp ccp/hcp gefunden werden. Gitterenergieberechnungen wurden für die Strukturanalysen von drei fehlgeordneten Phasen eingesetzt. Experimentell bestimmte Kristallstrukturen von Azulen und Pigment Red 194 haben den Raumgruppentyp P21/c, Z = 2. Die Moleküle befinden sich dabei auf einer Punktlage mit Inversionssymmetrie. Da beide Moleküle kein Inversionszentrum aufweisen, kommt es zu einer Orientierungsfehlordnung. Für die rechnerische Analyse der Fehlordnung wurden jeweils sechs geordnete Modelle ausgehend von den fehlgeordneten Strukturen erstellt, die möglichst wenige Moleküle pro Elemenarzelle aufweisen sollten. Gitterenergieberechnungen und die Auswertung der Boltzmann-Verteilung zeigten, dass in bei beiden Kristallstrukturen eine statistische Fehlordnung der Moleküle vorliegt, die sich aus mehreren geordneten Modellen aufbauen lässt. Bei Azulen ist eine geordnete Struktur im Raumgruppentyp Pa, Z = 4, energetisch etwas günstiger als die anderen Modell. Für Pigment Red 194 zeigte sich, dass die Fehlordnung unter der Annahme, dass nur die berechneten Modelle die fehlgeordnete Struktur bilden, mit über 99%iger Wahrscheinlichkeit aus den vier energetisch günstigsten Modellen Pc, Z = 2, P21, Z = 2, P21/c, Z = 4 und Pc, Z = 4 besteht. Die dritte untersuchte fehlgeordnete Struktur ist die des Natrium-p-chlorphenylsulfonat-Monohydrats. Die Fehlordnung bezieht sich hier nur auf die Phenylringe, die dort mit einer Besetzung von 50% zueinander senkrecht stehen. Mit Hilfe der Order-Disorder-Theorie konnten zwei geordnete Modelle im Raumgruppentyp P21/c und ein weiteres geordnetes Modell im Raumgruppentyp C1c1 (Z = 16, Z'= 2) aufgestellt werden. Gitterenergieminimierungen dieser Modelle zeigten, dass sich die Fehlordnung statistisch aus allen drei Modellen zusammensetzt. Das energetisch günstigste geordnete Modell im Raumgruppentyp P21/c, Z = 8 (Z' = 2), konnte als verzwillingte Struktur aus Einkristalldaten bestätigt werden.

Assessing the combined effects of xenobiotics, climate change and predators on aquatic organisms in multiple stressor experiments : a case study with pyrimethanil

Anne Seeland — Fri, 12 Apr 2013 08:19:17 +0200

The environmental impact of climate change is meanwhile not only discussed in the scientific community but also in the general public. However, little is known about the interaction between climate change and pollutants like pesticides. A combination of multiple stressors (e.g. temperature, pollutants, predators) may lead to severe alterations for organisms such as changes in time of reproduction, reproductive success and growth performance, mortality and geographic distribution. The questions if aquatic organisms tend to react more sensitive towards incidents under climate change conditions remains. Therefore, within the present thesis the aquatic ecotoxicological profile of the fungicide pyrimethanil, as an exemplarily anthropogenic used contaminant, was examined. A large test battery of ecotoxicological standard tests and supplement bioassays with non-model species was conducted to investigate if species-specific or life stage-specific differences occur or if temperature alteration may change the impact of the fungicide. Two of the most sensitive species (Chironomus riparius and Daphnia magna) were used to investigate the acute and chronic thermal dependence of pyrimethanil effects. The results clearly depict that the ecotoxicity of pyrimethanil at optimal thermal conditions did not depend on the trophic level, but was species-specific. With regard to EC10 values the acute pyrimethanil toxicity on C. riparius increased with higher temperature (6.78 mg L-1 at 14°C and 3.06 mg L-1 at 26°C). The chronic response of D. magna to the NOEC (no observed effect concentration) of the fungicide (0.5 mg L-1) was examined in an experiment which lasted for several generations under three simulated near-natural temperature regimes (‘cold year, today’ (11 to 22.7°C), ‘warm year, today’ (14 to 25.2°C) and ‘warm year, 2080’ (16.5 to 28.1°C)). A pyrimethanil-induced mortality increase was buffered by the strongly related increase of the general reproductive capacity, while population growth was stronger influenced by temperature than by the fungicide. At a further pyrimethanil concentration (LOEC – lowest observed effect concentration: 1 mg L-1), a second generation could not be established by D. magna under all thermal regimes. Besides daphnids, the midge C. riparius was used for a second multigeneration study. In a bifactorial test design it was tested if climate change conditions alter or affect the impact of a low fungicide concentration on life history and genetic diversity. The NOAEC/2 (half of the no observed adverse effect concentration derived from a standard toxicity test) was used as a low pyrimethanil concentration to which laboratory populations of the midges were chronically exposed under the mentioned temperature scenarios. During the 140-day-multigeneration study, survival, emergence, reproduction, population growth, and genetic diversity of C. riparius were analyzed. The results reveal that high temperatures and pyrimethanil act synergistically on life history parameters of C. riparius. In simulated present-day scenarios, a NOAEC/2 of pyrimethanil provoked only slight to moderate beneficial or adverse effects. In contrast, an exposure to a NOAEC/2 concentration of pyrimethanil at a thermal situation likely for a summer under the future expactations uncovered adverse effects on mortality and population growth rate. In addition, genetic diversity was considerably reduced by pyrimethanil in the ‘warm year, 2080’ scenario, but only slightly under current climatic conditions. The multigeneration studies under near-natural thermal conditions indicate that not only the impact of climate change, but also low concentrations of pesticides may pose a reasonable risk for aquatic invertebrates in the future. This clearly shows that thermal and multigenerational effects should be considered when appraising the ecotoxicity of pesticides and assessing their future risk for the environment. In addition to temperature further multiple abiotic and biotic stressors alterate pollutant effects. Moreover, to better discriminate and understand the intrinsic and environmental correlates of changing aquatic ecosystems, it was experimentally unraveled how the effects of a low-dose of pyrimethanil on daphnids becomes modified by different temperatures (15°C, 20°C, 25°C) and in the presence/ absence of predator kairomones of Chaoborus flavicans larvae. The usage of a fractional multifactorial test design provided the possibility to investigate the individual growth, reproduction and population growth rate of Daphnia pulex via different exposure routes to the fungicide pyrimethanil at an environmentally relevant concentration (0.05 mg L-1) - either directly (via the water phase), indirectly (via algae food), dually (via water and food) or for multiple generations (fungicide treated source population). The number of neonates increased with increasing temperatures. At a temperature of 25°C no significant differences between the individual treatment groups were observed although the growth was overall inhibited due to pyrimethanil. Besides, at 15 and 20°C it is obvious that daphnids which were fed with contaminated algae had the lowest reproduction and growth rate. The obtained results clearly demonstrate that multiple stress factors can modify the response of daphnids to pollutants. The exposure routes of the contaminant are of minor importance, while temperature and the presence of a predator are the dominant factors impacting the reproduction of D. pulex. It can be concluded that low concentrations of pyrimethanil may disturb the zooplankton community at suboptimal temperature conditions, but the effects will become masked if chaoborid larvae are present. Therefore it seems necessary to observe prospectively if the combination of several stress factors like pesticide exposure and suboptimal temperature may influence the life history and sensitivity of several aquatic invertebrates differently. Besides standard test organisms it is inevitable to conduct test with aquatic invertebrate which are not yet considered regularly in ecotoxicological experiments. For example molluscs represent one of the largest phyla of macroinvertebrates with more than 100.000 species, being ecologically and economically important. Therefore, within the present study embryo, juvenile, half- and full-life cycle toxicity tests with the snail Physella acuta were performed to investigate the impact of pollutants on various life stages. Different concentrations of pyrimethanil (0.06-0.5 or 1.0 mg L-1) assessed at three temperatures (15°C, 20°C, 25°C) revealed that pyrimethanil caused concentration-dependent effects independent of temperature. Interestingly, the ecotoxicity of pyrimethanil was higher at lower temperature for the embryo hatching and F1 reproduction, but its ecotoxicity for the growth of juveniles and the F0 reproduction increased with increasing temperature. More specifically, it could have been observed that especially during the reproduction test high mortality rates occurred at the highest concentration of 1 mg L-1 at all temperatures. Due to high mortality rates no snails were available for the F1 at the highest concentrations (0.5 and 1.0 mg L-1). Compared to the F0, overall more egg masses were produced in the F1, being all fertile and no mortality occurred. For the F1-generation the strongest pyrimethanil effects were detected at 15°C. A comparison of effect concentrations between both generations showed that the F1 is more sensitive than the F0. These results indicate that an exposure over more than one generation may give a better overview of the impact of xenobiotics. With the establishment of an embryo and reproduction test under different temperatures and various concentrations of pyrimethanil with P. acuta we could successfully show that molluscs can respond more sensitive than model organisms and that both, chemical and thermal stressor strongly influence the behaviour of the pulmonates. It can be concluded that the high susceptibility for the fungicide observed in gastropods clearly demonstrates the complexity of pesticide-temperature interactions and the challenge to draw conclusions for the ecotoxicological risk assessment of pesticides under the impact of global climate change.

Untersuchung des Seebeck-Koeffizienten an Nanodrähten und granularen Metallen / von Matthias Christoph Schmitt

Matthias Schmitt — Thu, 11 Apr 2013 08:46:27 +0200

Die Arbeit entstand im Rahmen des Förderprogramms ”Profil NT” und war Bestandteil des BMBF–Projektes ”NANOTHERM” (FKZ17PNT005). Dabei sollte die Möglichkeit der Integration und Verwendung von Nanodrähten als funktionsbestimmende Komponente im thermoelektrischen Sensorelement untersucht werden. Eine wichtige Aufgabe bestand darin die thermoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Nanodrähte, insbesondere den Seebeck–Koeffizienten, zu untersuchen. Im Hinblick auf die weitere Entwicklung der Nanotechnologie ist es sehr wichtig, geeignete Messplattformen zu generieren und der Wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen für die Charakterisierung von Nanostrukturen. Für die Forschung bedeutet dies, dass man immer präziser die ”Physik im kleinen” studieren kann. Im Bezug auf die Anwendungen stellen die ausgeführten Untersuchungen eine wesentliche Basis für die Bauelemente–Optimierung und ihren späteren industriellen Einsatz dar. In dieser Arbeit werden zwei Chipdesigns vorgestellt für die Bestimmung des Seebeck–Koeffizienten, die eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz in Nanostrukturen erzeugen. Für beide Chips wird die mikromechanische Fertigung im einzelnen erläutert. Zusätzlich wurden die Chips in FEM–Simulationen analysiert. Eine messtechnische Charakterisierung der Chips bestätigt die Simulationen und die Funktionsweise der Chips für Untersuchungen des Seebeck–Koeffizienten an Nanostrukturen. Erstmals wurden Wolfram bzw. Platin FEBID–Deponate hinsichtlich des Seebeck–Koeffizienten untersucht. Für die Wolfram–Deponate ergab sich ein negativer Seebeck–Koeffizient. Der gemessenen Seebeck–Koeffizient war über mehrere Tage stabil. Als Ergebnis temperaturabhängiger Messungen des Seebeck–Koeffizienten konnte eine Wurzel-T Abhängigkeit beobachtet werden, die in der Theorie beschrieben wird. Eine Untersuchung des Seebeck–Koeffizienten an Pt–FEBID–Deponaten zeigt einen Vorzeichenwechsel für Proben mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (isolierender Charakter, schwache Kopplung). In der Literatur wird dieser Vorzeichenwechsel allerdings für Proben mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit beschrieben. Aufgrund der Messergebnisse ist zu prüfen inwiefern die Theorie des Seebeck–Koeffizienten auf Proben mit schwacher Kopplung zu übertragen ist. Da die gemessenen Seebeck–Koeffizienten bei einigen nanoskaligen Proben sehr klein waren, wurde der Seebeck–Koeffizient des Kontaktmaterials in separaten Versuchen untersucht. Für das hier verwendete Schichtsystem Ti(40nm)/Au(120nm) kann ein Seebeck–Koeffizient von -0,22µV/K angegeben werden. Bei der Charakterisierung der Pt–FEBID–Deponaten wurde dieser Beitrag des Kontaktschichtsystems zur Thermospannung berücksichtigt. Untersuchungen an BiTe–Nanodrähten mit dem Seebeck–Chip ergaben einen negativen Seebeck–Koeffizienten. Die ersten Untersuchungen wurden mit Kupfer als Kontaktmaterial durchgeführt, weil dieses sehr gute Lift–Off Eigenschaften besaß. Trotz der Kupferdiffusion in den Nanodraht hinein, wird der negative Seebeck–Koeffizient einem Tellur–Überschuss zugeschrieben, denn an Proben mit einer geeigneten Diffusionsbarriere war in nachfolgenden Untersuchungen ebenso ein negativer Seebeck–Koeffizient zu messen. Die ermittelten Beweglichkeiten sind niedriger als die von Bulkmaterial und können durch klassische Size–Effekte erklärt werden. Die gemessenen Ladungsträgerkonzentrationen liegen in typischen Bereichen für Halbmetalle. Die Charakterisierung des Seebeck–Koeffizienten mit Hilfe des hier vorgestellten Z–Chip ergab einen negativen Seebeck–Koeffizienten für die BiTe–Nanodrähte, die wie oben erläutert auf einen Tellur–Überschuss zurückzuführen sind. Eine Abschätzung eines mit Nanodrähten aufgebauten Sensors zeigt, dass im Vergleich zu konventionellen Dünnschicht–Thermopiles deutlich höhere Empfindlichkeiten zu erzielen sind. Erste technologische Konzepte für den Aufbau von Nanodraht–Arrays wurden erarbeitet und durch entsprechende Untersuchungen verifiziert. Grundsätzlich ist der Z–Chip für die Charakterisierung aller drei Transportkoeffizienten geeignet und bietet die Option, anderen Arbeitsgruppen eine universelle thermoelektrische Messplattform zur Verfügung zu stellen.

The formation and the geochemical and thermal evolution of the lithospheric mantle beneath the Kaapvaal craton recorded by subcalcic garnets from harzburgites and by pristine eclogites and garnet-pyroxenites

Qiao Shu — Thu, 11 Apr 2013 08:33:50 +0200

The mantle xenoliths collected by kimberlites indicate that the subcratonic mantle underneath the Archean crust is mostly a residue of high degrees of partial melting which was subsequently reenriched. The majority of the xenoliths show cryptic metasomatism and only few modal metasomatism. Much effort has been put into deciphering different kinds of enrichment processes within the mantle. Here, we take the approach to look into the inventory of subcalcic garnets which stem from cpx-free harzburgites and dunites. These subcalcic garnets, commonly with sinusoidal REE patterns, carry the major budget of the trace elements of their host rock. Thus, they are promising objects to study both depletion and enrichment. Most importantly, the analysis of a single grain subcalcic garnetwill provide almost all important information of the bulk rock. Our aim is to gain detailed information mainly on metasomatism on a craton wide scale by combining major, trace elements and Lu-Hf and Sm-Nd isotopic signatures from subcalcic garnets. Eventually, we will summarize the metasomatic agent(s) and processes and possibly the timing of the enrichment within the lithospheric mantle underneath the Kaapvaal craton.

Pulsed EPR characterization of membrane transport protein complexes

Reza Dastvan — Wed, 10 Apr 2013 09:07:58 +0200

Pulsed electron–electron double resonance (PELDOR) spectroscopy is a powerful tool for measuring nanometer distances in spin-labeled systems and recently is increasingly applied to membrane proteins. However, after reconstitution of labeled proteins into liposomes, spin labels often exhibit a much faster transversal relaxation (Tm) than in detergent micelles, thus limiting application of the method in lipid bilayers. In the first part of the thesis, optimization of transversal relaxation in phospholipid membranes was systematically investigated by use of spin-labeled derivatives of stearic acid and phosphatidylcholine as well as spin-labeled derivatives of the channel-forming peptide gramicidin A under the conditions typically employed for PELDOR distance measurements. Our results clearly show that dephasing due to instantaneous diffusion that depends on dipolar interaction among electron spins is an important contributor to the fast echo decay in cases of high local concentrations of spin labels in membranes. The main difference between spin labels in detergent micelles and membranes is their local concentration. Consequently, avoiding spin aggregation and suppressing instantaneous diffusion is the key step for maximizing PELDOR sensitivity in lipid membranes. Even though proton spin diffusion is an important relaxation mechanism, only in samples with low local concentrations does deuteration of acyl chains and buffer significantly prolong Tm. In these cases, values of up to 7 μs have been achieved. Furthermore, our study revealed that membrane composition and labeling position in the membrane can also affect Tm, either by promoting the segregation of spin-labeled species or by altering their exposure to matrix protons. Effects of other experimental parameters including temperature (<50 K), presence of oxygen, and cryoprotectant type are negligible under our experimental conditions. In the second part of the thesis, inhomogeneous distribution of spin-labels in detergent micelles has been studied. A common approach in PELDOR is measuring the distance between two covalently attached spin labels in a macromolecule or singly-labeled components of an oligomer. This situation has been described as a spin-cluster. The PELDOR signal, however, does not only contain the desired dipolar coupling between the spin-labels of the molecule or cluster under study. In samples of finite concentration the dipolar coupling between the spin-labels of the randomly distributed molecules or spin-clusters also contributes significantly. In homogeneous frozen solutions or lipid vesicle membranes this second contribution can be considered to be an exponential or stretched exponential decay, respectively. In this study, it is shown that this assumption is not valid in detergent micelles. Spin-labeled fatty acids that are randomly partitioned into different detergent micelles give rise to PELDOR time traces which clearly deviate from stretched exponential decays. As a main conclusion a PELDOR signal deviating from a stretched exponential decay does not necessarily prove the observation of specific distance information on the molecule or cluster. These results are important for the interpretation of PELDOR experiments on membrane proteins or lipophilic peptides solubilized in detergent micelles or small vesicles, which often do not show pronounced dipolar oscillations in their time traces. In the third part, PELDOR has been utilized to study the structural flexibility of the Toc34 GTPase homodimer, a preprotein receptor of the translocon of the outer envelope of chloroplasts (TOC). Toc34 belongs to GAD subfamily of G-proteins that are regulated and activated by nucleotide-dependent dimerization. However, the function of Toc34 dimerization is not yet fully understood. Previous structural investigations of the Toc34 dimer yielded only marginal structural changes in response to different nucleotide loads. PELDOR revealed a nucleotide-dependent transition of the dimer flexibility from a tight GDP to a flexible GTP-loaded state. Substrate-binding stabilizes the dimer in the transition state mimicked by GDP-AlFx, but induces an opening in the GDP or GTP-loaded state. Thus, the structural dynamics of bona fide GTPases induced by GTP hydrolysis is replaced by substrate-dependent dimer flexibility, which represents the regulatory mode for dimerizing GTPases. In the fourth part of the thesis, conformational flexibility and relative orientation of the N-terminal POTRA domains of a cyanobacterial Omp85 from Anabaena sp. PCC 7120, a key component of the outer membrane protein assembly machinery, were investigated by PELDOR spectroscopy. Membrane proteins of the Omp85-TpsB superfamily are composed of a C-terminal β-barrel and a different number of N-terminal POTRA domains, three in the case of cyanobacterial Omp85. It has been suggested that the N-terminal POTRA domains (P1 and P2) might have functions in substrate recognition. Molecular dynamics (MD) simulations predicted a fixed orientation for P2 and P3 and a flexible hinge between P1 and P2. The PELDOR distances measured between the P2 and P3 POTRA domains are in good agreement with the structure determined by X-ray, and compatible with the MD simulations suggesting a fixed orientation between these domains. PELDOR constraints between the P1 and P2 POTRA domains imply a rather rigid structure with a slightly different relative orientation of these domains compared with the X-ray structure. Moreover, the large mobility predicted from MD is not observed in the frozen solution. The PELDOR results further highlight the restricted relative orientation of the POTRA domains of the Omp85-TpsB proteins as a conserved characteristic feature that might be important for the processive sliding of the unfolded substrate towards the membrane.

TIP47 plays a crucial role in HCV morphogenesis and release by its interaction with viral nonstructural protein 5A and host protein Rab9

Daniela Ploen — Wed, 10 Apr 2013 08:59:52 +0200

Hepatitis C virus (HCV) assembly and production is closely linked to lipid metabolism. Indeed, lipid droplets (LD) have been shown to serve as a platform for HCV assembly. To investigate the effect of HCV on the host cell proteome, 2D-gelelectrophoresis with subsequent MALDI-TOF mass spectrometry of HCV replicating and the corresponding control cells were done. Based on this analysis, it was found out that HCV-replicating Huh7.5 cells revealed lower amounts of TIP47 (tail interacting protein of 47kD) compared to HCV-negative cells. TIP47, a cytoplasmic sorting factor, has been shown to be associated with lipid droplets. As it is known that HCV-replication and assembly takes place at the so called ”membranous web” that is composed of LDs and rearranged ER-derived membranes, it was tempting to investigate the role of TIP47 in HCV life-cycle. Western blot analysis did reveal that overexpression of TIP47 in HCV replicating Huh7.5 cells leads to decreased amounts of the HCV core protein while the levels of non-structural protein (NS)5A and intracellular HCVgenomes are increased. Moreover, in TIP47 overproducing cells higher amounts of infectious HCV particles are secreted. Vice versa, inhibition of TIP47 expression by siRNA results in a decreased level of intracellular NS5A, increased amounts of intracellular core and less infectious viral particles in the supernatant. In addition, complete silencing of TIP47 by lentiviral transduction abolishes HCV replication that can be restored by transfection of these cells with a TIP47 expression construct. It has been shown recently that apoE binds to NS5A and that this interaction plays an important role for the HCV life cycle (Benga et al., 2010). The C-terminal part of TIP47 harbours a 4 helix bundle motif and displays high homology to the N-terminus of apoE. Therefore, we investigated the interaction of NS5A and TIP47. Confocal double immunofluorescence microscopy revealed that a fraction of NS5A colocalizes with TIP47. Coimmunoprecipitation experiments and a yeast-two-hybrid screening confirmed the interaction between NS5A and TIP47 and deletion of the N-terminal-TIP47-PAT domain abolishes this interaction. From this we conclude that the TIP47-NS5A interaction is required for virus morphogenesis. Moreover, TIP47 can bind to Rab9 and this is relevant for targeting the viral particle out of the cell. In accordance to this, TIP47 was identified to be associated to the viral particle. Mutants of TIP47 that fail to bind Rab9 reveal lower amounts and a changed distribution of the HCV core protein. Furthermore, we could see that the core staining colocalizes with subcellular structures that were identified as autophagosomes using a p62-specific antibody which is a specific autophagosome-marker. Based on this, we hypothized that destruction of the Rab9 binding domain misdirects the viral particle towards the lysosomal compartment. For the first time it could be shown that TIP47 interacts with NS5A and is associated to the viral particle, therefore plays a crucial role for the virus morphogenesis and secretion of the viral article. Taken together, these results indicate that TIP47 is an essential cellular factor for the life cycle of HCV Abstract and might be used as target for antiviral treatment, e.g. by targeting the NS5A-TIP47 interaction, based on small molecules that mimic the NS5A-specific sequence that binds to TIP47 which might result in a competition of the TIP47/NS5A interaction.

Biochemical and structural investigations on the architecture of the F0 complex from Ilyobacter tartaricus ATP synthase

Jonna Hakulinen — Wed, 10 Apr 2013 08:33:40 +0200

The universal biological energy currency adenosine triphosphate (ATP) is synthesized by the F1Fo-ATP synthase in most living organisms. The overall structure and function of F-type ATPases is conserved in the different organisms. The F1Fo-ATP synthase consist of two domains; the soluble F1 complex has the subunit stoichiometry α3β3γδε and the membrane embedded Fo complex consists of subunits ab2c10-15 in its simplest form found in bacteria. F1 and Fo both function as reversible rotary motors that are connected by a central stalk (γε) and a peripheral stalk (b2δ). For ATP synthesis, the electrochemical energy formed by a proton or sodium ion gradient is required. The ion translocation across the Fo subcomplex induces torque in the motor part of the enzyme (cnγε), which causes conformational changes in the α3β3 domain leading to ATP synthesis from ADP and inorganic phosphate (Pi) catalyzed in the β-subunits. ATP hydrolysis causes a reverse torque in the Fo subcomplex triggering uphill ion translocation from cytoplasm to periplasm, and the enzyme functions as an ion pump. The ATP synthesis mechanism is well understood, since several high-resolution structures of F1 are available. In contrast, the ion translocation mechanism across the membrane, mediated by the Fo subcomplex, is not understood in its structural detail. Subunit a and the c-ring form an ion pathway, but subunit b is needed to form an active ion translocation pathway in both H+- and Na+-dependent systems. Several high-resolution structures of c-rings have provided insights in the ion translocation mechanism. The different ion translocation models based on biochemical, biophysical and structural analysis are in agreement in the fact that ions are translocated through a periplasmic ion access pathway in subunit a to the middle of the membrane and there to the binding site of a c-subunit. After almost a whole rotation of the c-ring the ion returns into the a-c interface, where it can be released to the cytoplasm. In the different models the cytoplasmic access pathway has been proposed to be located in subunit a, at the a-c interface or within the c-ring. The driving force of torque generation has been proposed to be the pH gradient or membrane potential. Several biochemical studies show that a conserved arginine in helix four of subunit a (R226 in Ilyobacter tartaricus or R210 in Escherichia coli)plays a critical role in the ion translocation. The arginine has been proposed to function as an electrostatic separator between the cytoplasmic and periplasmic pathways and as a mediator of the ion exchange into the c-ring ion-binding site. Structural data of a related enzyme (V1Vo-ATPase from Thermus thermophilus) has provided insight into the helical arrangement of the ion translocating subunits I and Lring (related to subunit a and the c-ring). These structures indicated a small interface between subunit I and the L-ring, and two four-helix bundles in the N-terminal domain of subunit I were proposed to build the periplasmic and cytoplasmic ion pathways. To comprehend the ion-translocation and torque generation mechanism in F1Fo-ATP synthase, structural data of an intact a-c complex is needed. The goal of this work was to obtain structural data of subunit a, most preferably in a complex with the c-ring or additionally with subunit b. Therefore, a new purification procedure for the I. tartaricus Fo-subcomplex, heterologously expressed in E. coli cells, was established. The purified Fo was characterized biochemically and by Laserinduced liquid bead ion desorption mass spectrometry (LILBID-MS). These analyses showed that pure and completely assembled Fo containing all its subunits in the correct stoichiometry (ab2c11) was obtained. The purified Fo complex was stable at 4°C for several months and at room temperature in the presence of lipids for several weeks. A lipid analysis was performed by thin-layer chromatography (TLC) to investigate the qualitative lipid composition of I. tartaricus whole lipid extract and various I. tartaricus F1Fo isolates. The whole lipid extract contained PC, PG and PE lipids and probably cardiolipin. PC, PG and PE lipids were bound to wild type I. tartaricus F1Fo, whereas recombinant I. tartaricus F1Fo did not have any bound lipids, but was able to bind the synthetic lipids POPC and POPG if they were provided during the purification. For subsequent structural studies the purified Fo was subjected to two-dimensional (2D) crystallization trials. Vesicles and sheets tightly packed with protein and crystals with a rare plane group for I. tartaricus c11 (p121) were obtained. The c-ring was visible in the CCD images, and immunogold-labeling revealed the presence of the His-tagged a-subunit in the reconstituted vesicles. Furthermore, atomic force microscopy (AFM) imaging showed protein densities next to the c-rings, which protruded less from the membrane (0.4±0.1 nm) than the c-ring (0.7±0.1 nm). These protein densities presumably belonged to subunit a. Cryo-electronmicroscopy (cryo-EM) was used to collect data of the p121 crystals and a merged projection density map was calculated to 7.0 Å resolution. The unit cell of the crystals (81 × 252 Å) contained two asymmetric units with three c-rings in each and next to the c11-rings new prominent densities were visible. In each extra density up to 7 transmembrane helices were visible, belonging to the stator subunit a and/or subunit b. To elucidate whether there are conserved elements in the three extra densities non-crystallographic averaging was applied using a single-particle approach. Six possible arrangements for the c-rings and the extra densities were identified and used for the averaging. The extra densities were enhanced only in one of the possible arrangements. The average showed a four-helix bundle and a fifth helix in close proximity to the c-ring. Two more helices were present in each position but their position was ambivalent. The data obtained in this work provides the first insight in the helical arrangement in the a-c interface of F1Fo-ATP synthase.

Between re-traditionalization and islamic resurgence : the influence of the national question and the revival of tradition on gender issues among Maranaos in the Southern Philippines

Birte Brecht-Drouart — Tue, 09 Apr 2013 12:11:11 +0200

Cannabinoid-mediierte Neuroprotektion in exzitotoxisch geschädigten organotypischen hippokampalen Schnittkulturen (OHSC) der Ratte mit besonderem Fokus auf N-Arachidonyl-Dopamin (NADA)

Urszula Grabiec — Thu, 04 Apr 2013 14:05:07 +0200

Schädigungen des Zentralnervensystems führen häufig zu schweren irreversiblen Schäden, die die Betroffenen vor große körperlichen und psychischen Herausforderungen stellen. Auf zellulärer Ebene ist bekannt, dass das Gehirn über protektive Mechanismen verfügt, die zwar nach der Schädigung aktiviert werden deren Potential jedoch nicht ausreicht, um den Schaden einzudämmen. Das Endocannabinoidsystem wurde mehrfach als ein solches protektives System bei ZNS Läsionen beschrieben. Zu den klassischen und gut untersuchten Endocannabinoiden (eCBs) wie Anandamid oder 2-AG kommen im Gehirn mehrere eCBs vor, deren physiologische und pathologische Bedeutung schwer einzuordnen ist. Das N-Arachidonyl-Dopamin (NADA) gehört zu dieser Gruppe und wirkt über bereits bekannte Cannabinoid Rezeptoren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Wirkung von NADA auf das Überleben der Körnerzellen im Gyrus dentatus im Modell der organotypischen hippokampalen Schnittkulturen (OHSC) untersucht. Weiterhin wurden die beteiligten Rezeptoren und die intrazellulären Signalkaskaden an neuronalen und gliösen Primärkulturen sowie Zelllinien analysiert. Nach der NMDA Schädigung kam es zum massiven Absterben der Neurone und einer deutlichen Zunahme der Zahl von Mikrogliazellen. NADA (100 pM-10 μM) hemmte den Prozess der neuronalen Schädigung und führte bei 1 nM und 1 μM zum Rückgang der Mikrogliaanzahl in geschädigten OHSC. Weiterführende Analysen ergaben, dass NADA Effekte über den Cannabinoid (CB)1 Rezeptor mediiert. Sowohl die abnCBD, CB2, TRPV1 und TRPA1 Rezeptoren als auch -als struktureller Bestandteil des NADA waren an den Wirkungen nicht beteiligt. Es ist bekannt, dass der TRPV1 Rezeptor eine große Rolle bei NADA mediierten Effekten in der Peripherie spielt. Das Vorkommen bzw. die funktionelle Aktivität des TRPV1 im ZNS ist Gegenstand kontroverser Diskussionen. TRPV1 konnte auf mRNA Ebene in organotypischen hippokampalen Schnittkulturen (OHSC), Astrozyten, hippokampalen Neuronen und DRG (Spinalganglien) nachgewiesen werden. Mittels Calcium Imaging und Elektrophysiologie konnte an HEK293-TRPV1 Zellen NADA als Agonist des TRPV1 bestätigt werden. In allen untersuchten Zellen war jedoch die Funktionstüchtigkeit des TRPV1 Rezeptors mittels Calcium Imaging Messungen nicht nachweibar. Im nächsten Schritt wurde geprüft, welche der klassischen mit dem Endocannabinoidsystem assoziierten Signalkaskaden an der NADA vermittelten Protektion teilnehmen. Die Signalkaskaden p38 und p44/42 MAPK wurden in den stimulierten und nichtstimulierten Zellen durch NADA nicht beeinflusst. NADA gehört somit zur Gruppe der neuroprotektiv wirkenden Endocannabinoide, welches seine Effekte über den CB1 Rezeptor vermittelt. Im Schädigungsmodell des OHSC spielt der TRPV1 Rezeptor keine Rolle. Weitere intrazelluläre Signalkaskaden, wie der PLC Weg, bedürfen einer weitergehenden Analyse bezüglich ihrer Involvierung in NADA-vermittelte Effekte.